Impact of the surface roughness on the electrical capacitance

A new hybrid approach consists to use the advantages of both systems namely the high geometric aspects of the electrodes of the ultracapacitor and the high dielectric strength of polymer materials used in dielectric capacitors. The surface roughness of the electrodes of the ultracapacitor is manufactured with nano-porous materials; activated carbon and carbon nanotubes (CNTs). Many compositions of both carbonaceous materials are tested with different insulating materials (liquid and solid) to constitute the hybrid capacitor. It appears that the capacitance increases with the carbonaceous composition: An increasing from 15 to 40% is observed as compared to a plane capacitor, it can be twice with a 100 wt% of CNTs content. But, the impregnation of the insulating material in the surface roughness remains the key point of the realization of the hybrid capacitor. The roughness accessibility is a major property to optimize in order to improve the impregnation of the insulating material to increase the electrical capacitance

PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF P3HT-PCBM ORGANIC SOLAR CELLS

Organic solar cells using P3HT: PCBM as an active layer on ITO coated glass substrates were fabricated and characterized. Different air annealing procedures and cathode materials were tried and the characteristics were compared with that of a standard thin film polycrystalline silicon solar cell. It was found that the sample prepared with post-deposition air annealing at 130 oC improves the open circuit voltage (Voc) considerably. Besides, short circuit current (Isc) and the efficiency (η) were highest for the sample with a non annealed active layer. Series resistance (Rs) for this sample was lowest, but 103 times higher than that of the silicon solar cell, which in turn may have reduced the efficiency value for the organic cell compared to silicon

Energy scavenging for long-term deployable wireless sensor networks

The coming decade will see the rapid emergence of low cost, intelligent, wireless sensors and their widespread deployment throughout our environment. While wearable systems will operate over communications ranges of less than a meter, building management systems will operate with inter-node communications ranges of the order of meters to tens of meters and remote environmental monitoring systems will require communications systems and associated energy systems that will allow reliable operation over kilometers. Autonomous power should allow wireless sensor nodes to operate in a “deploy and forget” mode. The use of rechargeable battery technology is problematic due to battery lifetime issues related to node power budget, battery self-discharge, number of recharge cycles and long-term environmental impact. Duty cycling of wireless sensor nodes with long “SLEEP” times minimises energy usage. A case study of a multi-sensor, wireless, building management system operating using the Zigbee protocol demonstrates that, even with a 1 min cycle time for an 864 ms “ACTIVE” mode, the sensor module is already in SLEEP mode for almost 99% of the time. For a 20-min cycle time, the energy utilisation in SLEEP mode exceeds the ACTIVE mode energy by almost a factor of three and thus dominates the module energy utilisation thereby providing the ultimate limit to the power system lifetime. Energy harvesting techniques can deliver energy densities of 7.5 mW/cm2 from outdoor solar, 100 μW/cm2 from indoor lighting, 100 μW/cm3 from vibrational energy and 60 μW/cm2 from thermal energy typically found in a building environment. A truly autonomous, “deploy and forget” battery-less system can be achieved by scaling the energy harvesting system to provide all the system energy needs. In the building management case study discussed, for duty cycles of less than 0.07% (i.e. in ACTIVE mode for 0.864 s every 20 min), energy harvester device dimensions of approximately 2 cm on a side would be sufficient to supply the complete wireless sensor node energy. Key research challenges to be addressed to deliver future, remote, wireless, chemo-biosensing systems include the development of low cost, low-power sensors, miniaturised fluidic transport systems, anti-bio-fouling sensor surfaces, sensor calibration, reliable and robust system packaging, as well as associated energy delivery systems and energy budget management

A data logger for frequency converters

Taajuusmuuttaja on sähkömoottorikäytön osa, jota käytetään muun muassa moottorin portaattomaan pyörimisnopeuden säätöön. Tässä työssä esitetään ratkaisuja taajuusmuuttajan sisäisten mittaus- ja ohjaustietojen tallennusta varten. Tiedonkeruu on tärkeää, koska se helpottaa vikojen diagnosoinnissa. Nykyisillä tuotteilla tiedonkeruun toteuttaminen on kuitenkin haasteellista. Taajuusmuuttajasta saattaa katketa virrat vikatilanteen vuoksi, jonka takia aikaa tietojen tallennukseen on hyvin rajoitetusti. Koska tallennettavissa oleva tietomäärä riippuu väylä- ja muistinopeuksista, tutkitaan työssä erilaisia muisti- ja tiedonsiirtotekniikoita. Työn lopussa esitetty esimerkkitoteutus perustuu tietojen puskurointiin jatkuvasti taajuusmuuttajan ollessa käynnissä. Kun vikatilanne havaitaan, siirretään puskurin sisältö erilliselle muistipiirille. Rengaspuskuri toteutettiin FPGA:han integroidulla SRAM-muistilla, ja tietojen pysyvään tallennukseen käytettiin EPCS-konfigurointilaitetta. Esimerkkitoteutuksen tavoin toimivaa ratkaisua voidaan hyödyntää nykyisten tuotteiden kanssa, mutta tulevaisuuden tuotteita suunniteltaessa on suositeltavaa käyttää uusia teknologioita, kuten haihtumatonta RAM-muistia, jotta tietoja voitaisiin tallentaa nykyistä enemmän.A frequency converter is a part of an electric drive used for controlling the speed of a motor. This thesis presents solutions for storing internal measurement data during a possible failure in the converter. Data logging is important, because it helps to diagnose the failure but such features are rare in current products. It is possible that a fault condition causes an outage of the entire drive, in which case there is not lot of time to store the data. Because the amount of storable data depends on bus and memory speed, different memory and data transfer technologies are examined. In the end of the thesis, an example implementation is presented. It relies on buffering data during the normal use of the drive and on storing the data to a separate memory circuit when a fault is detected. A circular buffer is used on embedded SRAM of a FPGA circuit and an EPCS configuration device is used for storing data. Solutions similar to the example implementation can be exploited with current products. However, with future products, it is recommendable to consider using new technologies, such as non-volatile random access memory (nvRAM), for increasing storage capacity

Développement d'un système d'alimentation d'un noeud de capteur sans fils à partir d'un récupérateur piézoélectrique pour des applications dans l'automobile

Le développement intensif de l’électronique à très faible consommation énergétique et des technologies de communication sans fils ont permis l’apparition des nœuds de capteur sans fils dans plusieurs domaines. Un nœud de capteur sans fils devrait être un système autonome. Néanmoins, les batteries sont utilisés jusqu’à aujourd’hui pour son alimentation. L’utilisation des batteries comme source d’énergie présente des défis majeurs tels que le coût de remplacement et d’entretien. L’objectif de ce projet est de valider la possibilité d’alimentation d’un nœud de capteur sans fils à partir de l’énergie vibratoire à travers un récupérateur piézoélectrique. Un système d’alimentation complet d’un nœud de capteur sans fils contient le transducteur piézoélectrique, une unité de gestion de puissance et un élément de stockage. Ce mémoire de maîtrise présente les travaux élaborés dans le but de définir une configuration bien adaptée d’un système d’alimentation autonome complet. La réalisation de ce projet a nécessité le développement d’un démonstrateur expérimental du système en se basant sur des composants commerciaux. Ce démonstrateur a permis de valider la faisabilité du système de récupération d’énergie vibratoire pour des excitations qui peuvent exister dans le domaine de l’automobile en termes de fréquence de résonance et amplitudes d’accélération. Tout d’abord, les besoins énergétiques du nœud de capteur à alimenter et du circuit de gestion de puissance sélectionné ont été caractérisés expérimentalement en établissant une communication entre le nœud et une station de base. À partir de ces résultats, le transducteur piézoélectrique et l’élément de stockage adéquats ont été déterminés. Dans notre cas, le transducteur piézoélectrique choisi est soumis à une excitation harmonique d’amplitude 0.3 g et de fréquence de 65.8 Hz. Il alimentait le nœud de capteur sans fils développé opérant à une période de transmission de 17s à travers le circuit de gestion de puissance de faibles pertes favorisant le transfert optimal d’énergie entre l’entrée et la sortie du système. La fonctionnalité du système a été mise en évidence et une méthodologie comportant les différentes considérations à tenir en compte lors de développement de ce type de système a été proposée. Il est démontré que l’étude énergétique du système est un atout pour son développement. En effet, le design du transducteur piézoélectrique doit être fait de telle façon que la puissance générée par le récupérateur piézoélectrique soit supérieure à la puissance requise par le reste du système. Pour cela, la source de vibration doit être caractérisée en termes de fréquence et amplitude d’accélération. La puissance totale requise par le nœud de capteur et le circuit de gestion de puissance doit être déterminée. Le dimensionnent de l’élément de stockage doit aussi tenir compte de l’énergie totale requise par la charge

Conception d'un circuit d'étouffement de photodiodes avalanches monophotoniques pour une intégration matricielle dans un module de comptage monophotonique

De nombreuses applications en sciences nucléaires bénéficieraient d’un détecteur possédant une précision temporelle de 10 ps largeur à mi-hauteur à la mesure d’un photon unique. Par exemple, le projet de Time-Imaging Calorimeter en cours de conception au CERN requiert un détecteur possédant une telle précision temporelle afin de mesurer le temps de vol (TDV) et la trajectoire des particules émises lors des collisions dans les expériences du Large Hadron Collider (LHC), ce qui permet d’identifier ces dites particules. De plus, un détecteur possédant une précision temporelle de l’ordre de 10 ps permettra la mitigation de l’empilement des événements. Un second exemple est la tomographie d’émission par positrons (TEP), une modalité d’imagerie médicale non-invasive qui mesure la distribution d’un traceur radioactif afin d’étudier et détecter le cancer. Dans le but de développer un scanner TEP temps réel, le groupe de recherche en appareillage médical de Sherbrooke (GRAMS) travaille sur l’intégration de la mesure du TDV de l’interaction TEP. Les meilleures performances actuelles des détecteurs TEP se situent aux alentours de 150 ps, ce qui n’est pas suffisant pour intégrer le TDV dans un scanner TEP préclinique. Cette mesure exige une résolution temporelle TEP de l’ordre de 10 ps. La solution proposée par le GRAMS est de développer un module de comptage monophotonique (MCMP) 3D qui est composé d’une matrice de photodiodes avalanches monophotoniques (PAMP) reliée par des interconnexions verticales (TSV) à une matrice de circuits de lecture composée d’un circuit d’étouffement et d’un convertisseur temps-numérique. Ce détecteur permet donc de mesurer précisément le temps d’arrivée de chaque photon détecté. Ce document présente la conception du circuit d’étouffement réalisé en technologie CMOS 65 nm de TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) intégré à chaque pixel de 50 × 50 µm2 dans un MCMP 3D. Afin de répondre au besoin de précision temporelle de 10 ps dans un détecteur 3D, le circuit proposé est un circuit d’étouffement passif avec une recharge active possédant un amplificateur opérationnel en boucle ouverte à titre de comparateur de tension. L’amplificateur opérationnel utilisé possède un seuil ajustable de 0 à 2,5 V afin d’être en mesure d’évaluer le seuil optimal pour la mesure de gigue temporelle avec une PAMP. La taille finale du circuit d’étouffement est de 18 × 30 µm2 incluant l’amplificateur qui est d’une taille de 13 × 8 µm2, ce qui représente respectivement environ 22% et 4% de la taille totale du pixel. Le circuit d’étouffement possède une gigue temporelle de 4 ps largeur à mi-hauteur (LMH). Les résultats obtenus prouvent qu’il est possible d’intégrer de l’électronique de lecture de PAMP dans un MCMP 3D possédant des performances temporelles sous les 10 ps

Characterization of fluid and thermal transport in copper metal foam wicks

Thermal management of electronics has become a major challenge in manufacturing and production of high performance electronic chips. Constant rise of computation power requires higher amount of energy and subsequently this energy (in the form of heat) should be transferred out of the computer. Among other solutions, heat pipes are proposed as a means to transfer and eventually remove this excess heat. The main part of a typical heat pipe is the wick which provides a medium for transport of capillary driven flow and evaporation at the vapor-liquid interface. Different materials are proposed as wick for a heat pipe and among them, recently invented Bi-porous metal foams exhibit a very significant performance improve, i.e. high transport limit in comparison with competing materials. By a mainly experimental approach, capillary, wetting and evaporation properties of copper metal foams with different porosities have been investigated. An in depth surface characterization study is done on the foams to identify the role of surface wettability on the capillary performance. It is found for the first time that the hydrophilicity loss of the copper based porous materials when exposed to air is caused by the adsorption of volatile organic compounds and not by copper oxidation. It is also inferred that the reason for high transport limit of the foams compared with other materials is their unique microstructure which has two levels of porosity. This biporous microstructure provides paths for liquid transport with low pressure drop while the smaller pores provide for thin film evaporation and produce high capillary pressure. Permeability and effective pore radius, as two key parameters defining the pumping capacity, are measured experimentally by the rate of rise method. It is also found that the evaporation rate of a rising liquid in a porous material is lower compared with that of the same material while saturated with stationary liquid. This will allow ignoring natural evaporation in the rate of rise method and using simplified models to capture permeability and effective pore radius. The role of meniscus recession in capillary pumping and evaporation rate is characterized for the first time and a model is proposed to measure the effective pore radius of porous materials in operating conditions. It is shown that the effective pore radius can decrease up to 50% due to forced evaporation. In a more general perspective, through different experiments, it is shown that there is a coupling between capillarity and evaporation. This coupling is established through variation in meniscus shape which will affect both capillarity and evaporation. The findings of this thesis will shed light on the capillarity, evaporation and their interconnected nature in the capillary wicks in two phase thermal management devices

Modélisation et conception de microrésonateurs piézoélectriques pour la récupération d'énergie vibratoire

Ce mémoire présente une méthodologie pour la conception de résonateurs piézoélectriques destinés à la transformation de l'énergie des vibrations en électricité. Cette méthodologie incorpore l'effet du couplage piézoélectrique, considère une vaste gamme de géométries, ainsi que les limites reliées à la contrainte induite sur la structure pour guider le dimensionnement des couches piézoélectriques. Tout d'abord, un modèle analytique a été développé afin d'évaluer le comportement des poutres en porte-à-faux composites soumises à des forces inertielles. Celui-ci utilise les hypothèses d'Euler-Bernoulli pour déterminer le comportement et les paramètres d'influence de la géométrie continue.Ce modèle a ensuite été réduit autour du mode fondamental à l'aide des coefficients et des paramètres équivalents pertinents. Par cette approche, de nouvelles expressions compactes, mais rigoureuses pour évaluer le déplacement, la tension, le courant et la puissance ont été formulées. Il a été démontré que l'effet piézoélectrique affecte la dynamique du résonateur comme une raideur et un amortissement électriques qui agissent simultanément. L'analyse de cette dynamique couplée a permis de reconfirmer formellement que l'amortissement électrique doit être équivalent à l'amortissement mécanique pour optimiser la puissance produite.Ce principe est utilisé afin de déterminer la charge électrique optimale et pour définir un nouveau critère comparatif des matériaux, le critère de couplage critique. Utilisé conjointement avec une démarche permettant d'isoler l'effet de la géométrie sur le couplage, ce critère est aussi utile pour le dimensionnement des couches piézoélectriques. Il permet d'évaluer le besoin du couplage pour optimiser les performances à partir du niveau d'amortissement mécanique intrinsèque du système.Ce critère démontre donc que la diminution de l'amortissement mécanique est prioritaire, car elle permet d'améliorer la puissance par unité de masse tout en éliminant la nécessité d'employer des matériaux à fort couplage ou des couches piézoélectriques épaisses. Les études paramétriques menées démontrent que les gains de performance importants sont effectivement reliés au dimensionnement de la couche dans la région de couplage sous critique, mais aussi principalement grâce à une augmentation du facteur de qualité de la structure. Il faut également minimiser la longueur de la poutre et maximiser sa masse sismique pour optimiser la puissance produite à une fréquence de résonance donnée, car ceci maximise la contrainte induite. La méthodologie proposée permet finalement de dimensionner des résonateurs piézoélectriques dans une perspective réaliste qui tient compte de la contrainte maximale et de son effet sur la fiabilité à long terme. Celle-ci a mis en évidence qu'outre le niveau de puissance visée ou les caractéristiques de la source de vibration disponible, c'est le niveau d'amortissement mécanique qui guide les spécifications géométriques obtenues. L'atténuation des pertes mécaniques devrait alors guider tous les choix de conception pour permettre de miniaturiser la masse. Ceci a par contre un effet sur la longueur requise pour limiter la contrainte induite, ce qui démontre qu'un compromis entre les performances et le coût est inévitable. Cela dit, il semble réaliste de viser des puissances de l'ordre de 1 à 10 [micro]W pour un microsystème électromécanique soumis à une source de vibration de 0.1 G d'amplitude dans une plage de 150 Hz à 1.5 kHz

Thermal management of solid state power switches

The transient temperature of solid state power switches is investigated using thermal resistance network modelling and experimental testing. The ability of a heat sink mounted to the top of the device to reduce the transient temperature is assessed. Transient temperatures for heat pulses of up to 100ms are of most interest. The transient temperature distribution inside a typical stack-up of a solid state power switch is characterised. The thermal effects of adding a heat sink to the top of the device are then assessed. A variety of heat sink thicknesses and materials are evaluated. Components of the device stack-up are varied in order to assess their affect on the effectiveness of the heat sink in reducing the device temperature. Thermal networks are successfully applied to model the transient heat conduction inside the stack-ups. This modelling technique allowed a good understanding of the thermal behaviour inside the stack-up and heat sink during the transient period. The concept of using a heat sink to suppress the transient temperature was validated experimentally on two types of solid state power switch

Thermal management of solid state power switches

The transient temperature of solid state power switches is investigated using thermal resistance network modelling and experimental testing. The ability of a heat sink mounted to the top of the device to reduce the transient temperature is assessed. Transient temperatures for heat pulses of up to 100ms are of most interest. The transient temperature distribution inside a typical stack-up of a solid state power switch is characterised. The thermal effects of adding a heat sink to the top of the device are then assessed. A variety of heat sink thicknesses and materials are evaluated. Components of the device stack-up are varied in order to assess their affect on the effectiveness of the heat sink in reducing the device temperature. Thermal networks are successfully applied to model the transient heat conduction inside the stack-ups. This modelling technique allowed a good understanding of the thermal behaviour inside the stack-up and heat sink during the transient period. The concept of using a heat sink to suppress the transient temperature was validated experimentally on two types of solid state power switch